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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN
PROYECTO FIN DE GRADO
Diseño de sensores fluídicos de radiofrecuencia basados en
dumbbell-shaped DGS
AUTOR: Mario González Sánchez
TITULACIÓN: Grado en Sistemas de Telecomunicaciones
TUTOR: Marta Gil Barba CO-TUTOR: Francisco Aznar Ballesta
DEPARTAMENTO: Teoría de la Señal en Comunicaciones
VºBº
Miembros del Tribunal Calificador: PRESIDENTE: Óscar Ortiz Ortiz TUTOR: Marta Gil Barba SECRETARIO: Carlos Cortés Alcalá Fecha de lectura: Julio 2019
Calificación:
El Secretario,
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Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 2
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Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 3
Gracias a toda esa gente que ha hecho que ahora sea como soy, gracias a los amigos de siempre, a
veces nos vemos más y otras menos, pero siempre sé quien está ahí.
A mis amigos de la universidad, y a los amiguitos por hacer que cada día en esta escuela sea
increíble.
Gracias a mi tutora Marta, por ayudarme a sacar este proyecto adelante, y, aunque todavía me
cuesta, por ayudarme a utilizar los signos de puntuación.
Por último, a mi familia, por apoyarme incondicionalmente, especialmente a mis padres, él siempre
tan refunfuñón y ella siempre tan pesada, esto no habría sido para nada posible sin ellos.
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Proyecto Fin de Grado 4
Resumen del proyecto
La estructura dumbbell-shaped defected ground structure (DGS), permite modificar el
comportamiento de una línea de transmisión fabricada mediante tecnología microstrip. Al situar otros
materiales sobre este resonador, cambian las propiedades dieléctricas del conjunto, cambiando
solidariamente la respuesta en frecuencia del resonador. Se aprovechará este comportamiento para
analizar y diseñar un sensor que sea capaz de identificar y diferenciar fluidos con distinta permitividad
dieléctrica.
El dispositivo que se va a diseñar es un sensor diferencial que compara cómo se comportan los
parámetros S de dos líneas de transmisión totalmente simétricas cargadas con un resonador dumbbell-
shaped DGS. Las variables de salida del sensor son dos, por un lado, el coeficiente de transmisión y
por otro el coeficiente de transmisión cruzado. El primero servirá para diferenciar líquidos cuya
permitividad eléctrica sea muy distinta a la del líquido de referencia, en nuestro caso, el agua
desionizada. En la estructura dumbbell-shaped DGS, los grandes cambios de permitividad del material
que se coloque sobre él, se reflejan en un cambio de la frecuencia de resonancia del conjunto. Por otro
lado, la segunda variable de salida será el coeficiente de transmisión cruzado (cross-mode transmission
coefficient). Este segundo parámetro de salida será fundamental para diferenciar líquidos cuya
permitividad sea muy similar a la del líquido de referencia. En este caso, el cambio en frecuencia puede
ser demasiado pequeño, por lo tanto, no se conseguiría suficiente sensibilidad, el coeficiente de
transmisión cruzado es muy sensible a cambios de simetría entre los dos canales, detectando pequeños
cambios en la magnitud y fase del coeficiente de transmisión S21. El hecho de utilizar dos canales
sirve para evitar que elementos externos como la temperatura influyan en el resultado, obteniendo así
una respuesta mas consistente.
El sensor será caracterizado y empleado para medir disoluciones en volumen de etanol con agua
desionizada, y otros líquidos con distintas permitividades. Adicionalmente, ha sido puesto a prueba
como sensor de muestras sólidas. Este modo de funcionamiento requiere el desmontaje del circuito de
fluídica, lo cual permite su empleo como detector de defectos en dieléctricos sólidos.
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Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 5
Abstract
The dumbbell-shaped defected ground structure (DGS) allows modifying the behavior of a
transmission line built on microstrip technology. When placing other materials with different dielectric
permittivity, the dielectric properties of the assembly change, modifying the frequency response of the
resonator. This behavior will be used to analyze and design a sensor able to identify and distinguish
between fluid with different dielectric permittivity.
The designed device is a differential sensor that compares the behavior of the S parameters of two fully
symmetrical transmission lines charged with a DGS dumbbell-shaped resonator. The output variables
of the sensor are two, on the one hand, the transmission coefficient 𝑆21. On the other hand, cross-mode
transmission coefficient 𝑆21𝐷𝐶. The transmission coefficient will serve to differentiate liquid whose
dielectric permittivity is very different from the reference channel, in our case, the referent channel
will be load with deionized water. In the DGS dumbbell-shaped structure, large changes in the
permittivity of the material placed on it, are reflected in a change in the resonance frequency of the
conjunct. The cross-mode transmission coefficient will be fundamental to differentiate liquids whose
permittivity is very similar from the reference channel. In this case, the change in frequency may be
too small, therefore, sufficient sensitivity would not be achieved on 𝑆21. The cross transmission
coefficient is very sensitive to changes in symmetry between both channels, detecting small changes
in the magnitude and phase of the coefficient of transmission 𝑆21. The advantages of using the cross-
mode transmission coefficient for sensing is the robustness against environmental changes such as
temperature, thus obtaining a more consistent response.
The sensor will be characterized for measuring solutions by volume of ethanol with deionized water,
and other liquids with different permittivity. The device has been tested as a sensor for solid samples
too. This operation mode requires disassembling the fluidic channels and allows use it as a defects
detector in solid dielectrics .
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Proyecto Fin de Grado 6
Índice
Resumen del proyecto ............................................................................................................................ 4
Abstract .................................................................................................................................................. 5
Índice...................................................................................................................................................... 6
Índice de figuras .................................................................................................................................... 7
Lista de acrónimos ................................................................................................................................. 9
Introducción ......................................................................................................................................... 10
Marco tecnológico ............................................................................................................................... 11
1.1 Metamateriales ................................................................................................................................. 11
1.2 Líneas duales .................................................................................................................................... 15
Especificaciones y restricciones de diseño .......................................................................................... 18
Descripción de la solución propuesta.................................................................................................. 19
1.3 ¿Que es la tecnología DGS? ............................................................................................................. 19 1.3.1 Aplicaciones de uso de estructuras DGS .................................................................................................... 19
1.4 Dumbbell-shaped DGS .................................................................................................................... 22
1.5 ¿Qué es la permitividad? .................................................................................................................. 23
1.6 Simulación en HFSS ........................................................................................................................ 25
1.7 Proceso de fabricación ..................................................................................................................... 28
Resultados ............................................................................................................................................ 30
1.8 Análisis del efecto del substrato sobre la sensibilidad del sensor .................................................... 30
1.9 Detección de variaciones en las propiedades dieléctricas ................................................................ 34
Planos .................................................................................................................................................. 45
Presupuesto .......................................................................................................................................... 47
Conclusiones ........................................................................................................................................ 48
Trabajos citados................................................................................................................................... 50
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Proyecto Fin de Grado 7
Índice de figuras
Ilustración 1 - Clasificación de los distintos materiales según sus propiedades dieléctricas 12 Ilustración 2 - a) Situación de los vectores S, E, H y k en un medio diestro b) Situación de los vectores S, E, H y k en un
medio zurdo c) Representacion grafica de los campos en una onda electromagnetica [1] 13 Ilustración 3 - Representación del comportamiento de la refracción en un medio zurdo y en uno diestro 13 Ilustración 4 - Comportamiento del tradicional experimento de la pajita en el vaso de agua para observar la refracción en
un medio diestro(izquierda) y en un medio zurdo(derecha) [2] 14 Ilustración 5 - [5] 14 Ilustración 6 - a) Línea de transmisión con comportamiento diestro b) Línea de transmisión con comportamiento zurdo 15 Ilustración 7 - Equivalencia entre los elementos de una línea microstrip y los componen del circuito equivalente 16 Ilustración 8 - Circuito equivalente de una línea zurdo-diestra 17 Ilustración 9 - Comparación entre un divisor de potencia Wilkinson fabricado de forma tradicional c) y otro Wilkinson
equivalente de menos tamaño gracias al efecto del resonador CSSR. a) Detalle del resonador CSRR [6] 17 Ilustración 10 - a) Guiaonda b) Tecnologías planares 19 Ilustración 11 – c) Respuesta de un filtro de banda ancha con 3 frecuencias de rechazo, sintonizadas gracias a los DGS
que se pueden ver en el diseño a), y que se ve implementado en b) [7] 20 Ilustración 12 – Gracias a las estructuras DGS se pueden añadir nuevas bandas en 5,2 y 5,8 GHz [8] 21 Ilustración 13 - En la tabla se ve como ha disminuido el acoplamiento mutuo entre las antenas gracias a las estructuras
DGS que se pueden ver en b) [9] 21 Ilustración 14 - Distintas topologías de dumbbell-shaped DGS, a) Dumbbell-shaped b) Circular head dumbbell c) Arrow
head dumbbell d) H-shaped. 22 Ilustración 15 - Esquema de las dimensiones de un resonador dumbbell-shaped DGS [10] 22 Ilustración 16 - Circuito equivalente de un resonador dumbbell-shaped DGS 23 Ilustración 17 - Visión general de la interfaz del software ANSYS HFSS 26 Ilustración 18 - a) Vista superior del sensor b) Vista general de la placa c) Vista inferior de la placa d) Detalle del perfil
de la placa, donde se pueden ver las capas de cobre superior e inferior y la perforación donde será acoplado el
tornillo que sujetará el canal. 27 Ilustración 19 - Vista inferior del canal de fluídica, la caja rosa es donde se almacenará el líquido, además también se
puede ver el PDMS que tendrá la función de contener el líquido y el PEEK, que servirá junto a los tornillos para
asegurar el PDMS. 28 Ilustración 20 – a) Insoladora AZ-220 b) Laminadora de 700W c) Vista superior de la placa preparada para el montaje, se
pueden ver todos los elementos, la placa ya plastificada, PDMS, PEEK y los tornillos de sujeción. d) Vista inferior
de la placa. 29 Ilustración 21 – Parámetro 𝐒𝟐𝟏 de los líquidos simulados en substrato AD1000 31 Ilustración 22 - Frecuencia de resonancia del parámetro 𝐒𝟐𝟏 de los líquidos simulados sobre los distintos substratos 31 Ilustración 23 – Simulación del parámetro 𝐒𝟐𝟏𝐃𝐂 del sensor sobre substrato AD1000 siendo el líquido de referencia
agua desionizada 32 Ilustración 24 – Valor del segundo máximo relativo del parámetro 𝐒𝟐𝟏𝐃𝐂 de los líquidos simulados sobre los distintos
substratos 33 Ilustración 25 - a) Analizador vectorial de redes utilizado. b) Sensor completamente montado y preparado para realizar la
medición. 34 Ilustración 26 - Coeficiente de transmisión S21 obtenido para las distintas disoluciones de % en volumen de etanol en
agua desionizada y para aire 35 Ilustración 27 - Incremento de la frecuencia de resonancia del parámetro 𝐒𝟐𝟏 en función del porcentaje de etanol en la
disolución 36 Ilustración 28 – Parámetro 𝐒𝟐𝟏𝐃𝐂 de las distintas disoluciones tomando como referencia el agua desionizada 37 Ilustración 29 - Detalle del primer máximo relativo del parámetro 𝐒𝟐𝟏𝐃𝐂 37 Ilustración 30 - Nivel del primer máximo relativo del parámetro 𝐒𝟐𝟏𝐃𝐂 en función del porcentaje de etanol en la
disolución 38 Ilustración 31 - Detalle del segundo máximo relativo del parámetro 𝐒𝟐𝟏𝐃𝐂 39
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Proyecto Fin de Grado 8
Ilustración 32 - Nivel del segundo máximo relativo del parámetro 𝐒𝟐𝟏𝐃𝐂 en función de la concentración de etanol en la disolución 39
Ilustración 33 - Simulación del parámetro 𝐒𝟐𝟏 del sensor en substrato FR4 40 Ilustración 34 - Comparación de la respuesta del parámetro 𝐒𝟐𝟏 entre las medidas y la simulación en substrato FR4 41 Ilustración 35 - Muestras de los substratos con distinta densidad de perforaciones medidas sobre el sensor. De arriba
hacia abajo, RO4003C, FR4 y RO3010 42 Ilustración 36 - Comparación entre muestras sin perforaciones de RO3010, FR4 y RO4003C. 42 Ilustración 37 - Incremento de frecuencia de la frecuencia de resonancia respecto a la permitividad de la muestra,
tomando como referencia la frecuencia de resonancia con aire 43 Ilustración 38 - Parámetro 𝐒𝟐𝟏 medido de una muestra de RO3010 con distintas densidades de perforaciones, RO3010_1
sin perforaciones, RO3010_2 densidad baja de perforaciones, RO3010_3 con densidad media de perforaciones,
RO3010_4 densidad alta de perforaciones. 43 Ilustración 39 - Parámetro 𝐒𝟐𝟏 de las muestras con distintas densidades de perforaciones 44 Ilustración 40 – Parámetro 𝐒𝟐𝟏𝐃𝐂 de los substratos perforados tomando como referencia la muestra de substrato sin
perforar 44 Ilustración 41 - Vista general del sensor 45 Ilustración 42 - Vista en detalle del canal de fluídica, la caja rosa es el lugar donde se sitúa el líquido. 46 Ilustración 43 – Vista detallada de las principales dimensiones del resonador. 46
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Proyecto Fin de Grado 9
Lista de acrónimos
DGS Defected Ground Structure
DIEMAG Desarrollo e Investigación Electromagnética
CIMITEC Centre d’Investigació en Metamaterials per a la Innovació en les Tecnologies
Electrònica i de Comunicacions)
UAB Universitat Autònoma de Barcelona
DPS Double positive
RHM Right handed media
SNG Single negative medium
ENG Epsilon negative medium
DNG Double negative medium
LHM Left handed media (medio zurdo)
MNG Mu negative medium
SRR Split-ring resonator (resonador de anillos abiertos)
LUT Liquid under test (líquido bajo estudio)
CSRR Complementary Split-ring resonator (resonador de anillos abiertos complementario)
UWB Ultra-wide band (banda ancha)
WLAN Wireless local area network (Red de area local inalambrica)
MIMO Multiple input multiple output
HFSS High frequency structure simulator
PEEK Polieteretercetona
PDMS Polidimetilsiloxano
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Proyecto Fin de Grado 10
Introducción
En la actualidad estamos acostumbrados a manejar una gran cantidad de información de nuestro
entorno, gracias a las nuevas tecnologías se está consiguiendo mayor capacidad y velocidad de
procesamiento, pero también hay que prestar atención a los dispositivos que se dedican a recolectar
esta información, los sensores. Es imprescindible diseñar y fabricar nuevos sensores con mejores
desempeño, las tendencias en la innovación en sensores son a la miniaturización y abaratamiento de
costes o el aumento de la precisión de estas medidas.
En el transcurso de este proyecto de investigación se va a estudiar el uso de la estructura resonante
dumbbell-shaped DGS como sensor para caracterizar la permitividad dieléctrica de materiales en
estado líquido.
Las posibles aplicaciones de este sensor podrán ser aplicadas en todo tipo de ámbitos, siempre que se
haya realizado un estudio previo de las salidas que podemos obtener del sensor ante las variables de
entrada de éste. En este documento, se estudiará la salida obtenida al introducir en los canales de
fluídica líquidos con distintas propiedades dieléctricas así como disoluciones de etanol en agua
desionizada.
Potencialmente el uso de este sensor tiene aplicaciones en muchos campos, desde la industria hasta
medicina, por ejemplo, caracterizando el aceite utilizado en motores de coche para controlar su calidad,
detectar la alteración de electrolitos de la sangre, analizar la calidad del agua o cualquier aplicación
donde los fluidos utilizados puedan ver alteradas sus propiedades dieléctricas.
En el presente documento se hará un repaso de las tecnologías que se han utilizado previamente para
el diseño de sensores que midan la permitividad, una introducción a la tecnología defected ground
structure y sus aplicaciones en la fabricación de componentes de radiofrecuencia y el diseño y
fabricación de un sensor para detectar variaciones de la constante dieléctrica en líquidos.
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Proyecto Fin de Grado 11
Marco tecnológico
Este proyecto forma parte de un conjunto de proyectos de investigación en los que se utiliza la
tecnología planar en el diseño de sensores, está relacionado directamente con la trayectoria del grupo
DIEMAG Desarrollo e Investigación Electromagnética que forma parte del Departamento de
Ingeniería Audiovisual y Comunicaciones de la Universidad Politécnica de Madrid, además también
se colabora con CIMITEC (Centre d’Investigació en Metamaterials per a la Innovació en les
Tecnologies Electrònica i de Comunicacions) de la UAB Universitat Autònoma de Barcelona.
1.1 Metamateriales
Uno de los primeros pasos que se dio desde el CIMITEC en la fabricación de sensores con tecnología
planar, tanto de líquidos como solidos, fue la utilización de metamateriales. La definición de
metamaterial a día de hoy sigue siendo algo difusa, aunque una forma general de definirlo seria
considerar que los metamateriales son aquellos materiales que son fabricados artificialmente, basados
en estructuras periódicas o quasi-periódicas y que presenta unas propiedades exóticas, es decir, que no
se dan en la naturaleza, y/o que son moldeables o controlables dependiendo de las especificaciones de
la aplicación.
Dentro de estos materiales se pueden diferenciar los medios efectivos, las propiedades de estos
materiales, son distintas a las propiedades de las “partículas” o elementos que lo componen. Por tanto,
para que un material se considere medio efectivo, la onda que incide sobre el debe tener una longitud
de onda mucho mayor que las dimensiones características del material, estas dimensiones
características son la separación entre los elementos que componen el material y su tamaño. El tamaño
de los elementos es fundamental, ya que, si estos son considerablemente menores que la longitud de
onda, se puede hablar de medio efectivo, ya que la onda interacciona con el material en su conjunto,
no con los elementos individuales que lo conforman.
Teniendo claro lo que es un metamaterial, y sabiendo que un medio efectivo es aquel donde la longitud
de onda de la frecuencia de trabajo es mucho mayor que los elementos que forman la celda unidad del
metamaterial, podemos dividir estos medios efectivos en varios tipos de medios observando el signo
de sus magnitudes electromagnéticas, ℇ (permitividad dieléctrica) y μ (permeabilidad magnética)
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Proyecto Fin de Grado 12
Ilustración 1 - Clasificación de los distintos materiales según sus propiedades dieléctricas
Dentro de estos materiales, según la ecuación (1), solo podría haber propagación en los medios donde
la constante de propagación β fuera real, es decir, que (1) tiene que ser positivo. En (1), ω es la
frecuencia angular, c la velocidad de la luz, y ambas son reales y positivas, por tanto, n tiene que ser
real, para ello, ℇ y μ deben ser positivos, como se da en los medios convencionales.
β2 =ω2
c2n2 (1)
n2 = με (2)
Veselago [13] fue el primero en hacer un estudio meramente teórico donde determinaba que había otra
posibilidad para la cual existía también propagación. Esto sucedía cuando ambas propiedades (ℇ y μ)
son negativas. Estos medios fueron bautizados como medios zurdos o Left Handed Media (LHM). Se
llaman así ya que analizando las ecuaciones de maxwell [3] y [4], observamos que no tienen el
comportamiento habitual que encontramos en el resto de materiales, a pesar de que el vector de
poynting sigue formando un triplete diestro con los campos eléctrico(E) y magnético(H), el vector de
propagación(k) toma un sentido opuesto debido a que las propiedades electromagnéticas son ambas
negativas, por lo tanto E, H y k forman un triplete zurdo.
k⃗ × E⃗⃗ = ωμ H⃗⃗ (3)
k⃗ × H⃗⃗ = −ωμ E⃗⃗ (4)
𝜀 > 0 𝜇 > 0 𝑛 > 0
DPS RHM
𝜀 < 0 𝜇 < 0 𝑛 < 0
DNG LHM
𝜀 > 0 𝜇 < 0
𝑛 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑗𝑜 SNG MNG
𝜀 < 0 𝜇 > 0
𝑛 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑗𝑜 SNG ENG
𝜀𝑟
𝜇𝑟
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Proyecto Fin de Grado 13
Ilustración 2 - a) Situación de los vectores S, E, H y k en un medio diestro b) Situación de los vectores S, E, H y k en un medio zurdo c)
Representacion grafica de los campos en una onda electromagnetica [1]
Una de las características que también observamos en los medios LHM es que al resolver la ecuación
[2], debido a la ambigüedad de estar el índice de refracción al cuadrado, se puede obtener un índice de
refracción negativo, dando lugar a un comportamiento distinto al que se da de habitualmente en los
medios convencionales. Como se puede observar en la figura 3, los rayos incidente y refractado caen
en el mismo lado de la normal a la frontera de los dos planos, en los medios convencionales sin
embargo esto no pasa, al ser el índice de refracción positivo, según la ecuación [5].
Ilustración 3 - Representación del comportamiento de la refracción en un medio zurdo y en uno diestro
sin θt =ni
ntsin θi (5)
Medio 1 Medio 2
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Proyecto Fin de Grado 14
Ilustración 4 - Comportamiento del tradicional experimento de la pajita en el vaso de agua para observar la refracción en un medio
diestro(izquierda) y en un medio zurdo(derecha) [2]
A pesar de tener estudios teóricos sobre los metamateriales, no se comenzó a investigar sobre ellos
hasta que John Pendry [3] en 1999 sintetizara la primera estructura resonante no magnética capaz de
proporcionar valores de la permeabilidad magnética negativos, esta estructura fue bautizada como
resonador de anillos abiertos (Split-ring resonator o SRR).
Tras la aparición de los anillos de John Pendry, en 2000 Smith [4] consiguió sintetizar el primer
material zurdo donde se obtenía permeabilidad dieléctrica y magnética negativa, es decir, el primer
metamaterial. Para ello, como se puede observar en la ilustración 5, colocó estos resonadores
combinados con postes metálicos en una distribución uniforme. Se combino el comportamiento de
ambos elementos, por un lado, consiguiendo una 𝜇 < 0 excitando los SRR con un campo magnético
perpendicular al plano del anillo, y por otro lado los postes, si éstos se excitan con un campo eléctrico
paralelo a los postes se obtiene 𝜀 < 0 , cabe destacar que estos comportamientos solo se dan en cierto
rango de frecuencias, por lo tanto previamente diseñaron los postes y los SRR con tamaños en los que
estuvieran sintonizados. De esta forma, tan solo emitiendo una onda con los campos �⃗� y �⃗⃗� de la forma
determinada y a la frecuencia a la que están sintonizados todos los elementos, se obtiene un medio
metamaterial.
Ilustración 5 - [5]
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Proyecto Fin de Grado 15
A partir de la síntesis del primer metamaterial, no se tardó demasiado en recrear otros metamateriales
mediante otras topologías. En la Universidad de Sevilla, R. Marqués sustituyó los postes que excitaban
los resonadores SRR por una guía de onda que cumplía con la misma función. En las quías de onda,
encontramos que, a partir de una frecuencia de corte determinada, se puede transmitir la onda, ya que
𝜀 > 0 , sin embargo, si la frcuencia de la onda es menor a la frecuencia de corte de la guía de onda, se
obtiene 𝜀 < 0 , por lo tanto no hay transmisión, pero esto cambiaba al introducir SRR en su interior.
Solo había que sintonizar los SRR de tal forma que la frecuencia en la cual se obtenía permeabilidad
negativa fuera menor que la frecuencia de corte, obteniendo así de nuevo un medio metamaterial,
donde de nuevo es posible la transmisión.
1.2 Líneas duales
El siguiente paso que se dio en el ámbito de los metamateriales fue la síntesis de un medio zurdo en
tecnología planar, ya que esto abría la posibilidad de sintetizar componentes de radiofrecuencia con
propiedades zurdas, Una de las ventajas de fabricar componentes con comportamiento zurdo es la
miniaturización de componentes de radiofrecuencia. Las líneas de transmisión con comportamiento
zurdo se denominarán “líneas duales”.
El modelo de una línea de transmisión tradicional es el que se puede observar en la ilustración 6 a), si
se obtiene el modelo de elementos discretos, las inductancias serie se asocian a valores de la
permeabilidad magnética positivos, y las capacidades paralelas están relacionadas con valores de
permitividad positiva. Para la síntesis de una línea dual habría que conseguir que estos valores sean
negativos. Esto se consigue con una estructura cuyo circuito equivalente sea el de la ilustración 6 b),
con inductancias en paralelo y capacidades en serie.
Ilustración 6 - a) Línea de transmisión con comportamiento diestro b) Línea de transmisión con comportamiento zurdo
a) b)
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Proyecto Fin de Grado 16
Para entender mejor el modelo de elementos discretos de las líneas tradicionales, las inductancias serie
modelan el comportamiento inductivo de la línea de transmisión, este efecto aumenta cuanto mas
estrecha y larga es la línea. Las capacidades paralelo se deben al comportamiento capacitivo que se
genera entre la línea de transmisión y el plano de masa al tener el substrato entre ellos, ya que es un
dieléctrico.
Ilustración 7 - Equivalencia entre los elementos de una línea microstrip y los componen del circuito equivalente
Para conseguir capacidades serie se puede recurrir a gaps capacitivos en la línea de transmisión, y para
conseguir las inductancias paralelo, se pueden realizar vías metalizadas a masa. Estas vías se
comportan como inductancias entre la línea y masa. Combinando adecuadamente ambos
comportamientos, hay un rango de frecuencias en el que se puede observar un comportamiento zurdo.
Sin embargo, tanto la capacidad que se crea entre la línea y el plano de masa, como la inductancia
debida a la longitud de la línea de transmisión, no se pueden eliminar, ya que son provocadas por la
propia topología de cualquier línea de transmisión microstrip. Estas capacidad paralela e inductancia
serie provocan un comportamiento diestro. Por lo tanto, la línea resultante es una línea con un
comportamiento zurdo-diestro, ya que a las frecuencias a las que están sintonizadas uno de los
conjuntos L-C la línea tiene comportamiento zurdo y en otras, encontramos un comportamiento
diestro.
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Proyecto Fin de Grado 17
Ilustración 8 - Circuito equivalente de una línea zurdo-diestra
Otros métodos de sintetizar medios efectivos zurdos son el uso de resonadores. Las ventajas de estos
medios efectivos son la mejora de prestaciones, la reducción de costes, o la disminución del tamaño
de los componentes. Recordemos que uno de los requisitos de un medio efectivo es que las partículas
o elementos que forman el medio sean considerablemente menores que la longitud de la onda.
Ilustración 9 - Comparación entre un divisor de potencia Wilkinson fabricado de forma tradicional c) y otro Wilkinson equivalente de
menos tamaño gracias al efecto del resonador CSSR. a) Detalle del resonador CSRR [6]
Comportamiento zurdo
Comportamiento diestro
a) b) c)
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Proyecto Fin de Grado 18
Especificaciones y restricciones de diseño
El proyecto que se presenta en el escrito es de investigación, es decir, estudia el comportamiento de
una topología de resonador para su uso como sensor de fluidos con distintas permitividades
dieléctricas. Por lo tanto, la principal finalidad del proyecto es que sea capaz de diferenciar líquidos
con la mayor precisión posible.
Si se tiene en cuenta la fabricación del sensor, hay ciertas restricciones, la principal es el tamaño del
resonador, ya que, debido al proceso de fabricación, como se verá en el capítulo que trata sobre el
mismo, la resolución máxima de fabricación tanto para líneas como para espacios entre líneas es de
200 μm.
Por otro lado, también está la limitación del tamaño de los canales de fluídica. Actualmente no hay
posibilidad de fabricar canales a medida, por lo que hemos empleado los proporcionados por el grupo
CIMITEC de la Universitat Autònoma de Barcelona, su tamaño es de 4.6mm de ancho por 26 mm, por
lo tanto, ese será el tamaño máximo del resonador.
Por último, aunque el diseño del sensor esté pensado para su uso en tiempo real como sensor diferencial
de 2 canales y 4 puertos, en el laboratorio donde se realizarán las medidas, se cuenta con un analizador
de 2 puertos. Por lo tanto, se fabricará finalmente un sensor formado por una única línea con su
resonador acoplado y 2 puertos. Para evitar que las condiciones de medida y la temperatura no
cambien, primero se procederá a obtener las medidas del líquido de referencia, a continuación, las del
líquido a caracterizar (LUT), y posteriormente, se procesará mediante un software de hojas de calculo
como puede ser Microsoft Excel para obtener el parámetro S21DC, que compara ambas respuestas.
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Proyecto Fin de Grado 19
Descripción de la solución propuesta
1.3 ¿Que es la tecnología DGS?
La tecnología DGS (defected ground esctructure) es utilizada de forma complementaria a la tecnología
microstrip, que consiste en una franja conductora por la que se puede transmitir energía, separada de
una franja de masa mediante una capa de substrato de material dieléctrico. Esta tecnología tiene la
ventaja de ser mucho mas barata que las tradicionales guías de ondas, además de mas compacta y
ligera.
Ilustración 10 - a) Guiaonda b) Tecnologías planares
Una estructura DGS, consiste en retirar cobre en forma de un patrón determinado del plano de masa
de una línea de transmisión microstrip. Puede ser empleado en la implementación de metamateriales,
ya que modifica el comportamiento natural de una línea de transmisión microstrip tradicional.
1.3.1 Aplicaciones de uso de estructuras DGS
Algunas aplicaciones que podemos encontrar en el uso de estructuras DGS puede ser su uso como se
ha visto en el capítulo anterior para sintetizar medios efectivos. Uno de los más característicos, es el
complementary split-ring resonator (CSRR). Se trata de un split-ring resonator (SRR) que está grabado
en el plano de masa. El hecho de ser complementario, hace que el CSRR tenga las mismas
características del SRR, pero intercambiando el comportamiento entre campos eléctricos y magnéticos,
e intercambiando sus propiedades dieléctricas (𝜇 y 𝜀). Si en el resonador SRR se obtiene 𝜇 < 0 al
excitar el resonador con un campo magnético perpendicular al plano del resonador, obtendremos lo
mismo en el CSRR, pero intercambiando sus propiedades. Es decir, observaremos 𝜀 < 0 al excitar el
resonador con un campo eléctrico que sea perpendicular al plano donde se encuentre el resonador,
a) b)
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Proyecto Fin de Grado 20
abriendo así un gran abanico de posibilidades a la hora del diseño de este tipo de estructuras para
distintos componentes de radiofrecuencia.
Uno de los principales usos de los DGS es la implementación de filtros de banda ancha (UWB). En la
ilustración 11 se puede ver un diagrama de la respuesta de un filtro realizado con DGS. En este caso,
se puede ver cómo se ha diseñado para rechazar 3 bandas espurias. En la ilustración 11 b) se puede
observar como gracias a la tecnología DGS, se puede conseguir en un tamaño realmente pequeño junto
a una importante mejora de prestaciones.
Ilustración 11 – c) Respuesta de un filtro de banda ancha con 3 frecuencias de rechazo, sintonizadas gracias a los DGS que se pueden
ver en el diseño a), y que se ve implementado en b) [7]
Otro posible uso de las estructuras DGS puede ser en el diseño de antenas. En el ejemplo que se puede
ver en la ilustración 12 podemos ver como una antena de parche de un tamaño reducido para su uso en
la banda de WLAN sintonizada a 5.8 GHz, y que está diseñada para su uso en wearables. Al introducir
dos estructuras DGS en forma de “L”, se consigue una antena multibanda con otras dos frecuencias
resonantes en 2.4 GHz y 5.2 GHz, dando así la posibilidad de acceder a la banda de bluetooth (2.4-
2.48 GHz) o a una segunda banda de WLAN.
a) b)
c)
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Proyecto Fin de Grado 21
Ilustración 12 – Gracias a las estructuras DGS se pueden añadir nuevas bandas en 5,2 y 5,8 GHz [8]
También se pueden utilizar las estructuras DGS para evitar el acoplamiento mutuo entre antenas que
estén muy próximas, como es el caso que se puede ver en la ilustración 13. Se trata de una antena
MIMO (multiple input multiple output), estas antenas se utilizan para aumentar la capacidad del
sistema, aumentando la velocidad de transmisión gracias a la propagación multitrayecto. Para
conseguir esto, hay que evitar que se interfieran mutuamente, es decir hay que reducir el acoplamiento
mutuo. Esto se puede hacer separando las antenas, pero en los dispositivos portables, esto no es una
solución válida. Para reducir este parámetro se puede ver cómo se han añadido DGS de distintos
patrones y tamaños en el plano de masa, dando los resultados que se pueden ver en la ilustración 12,
se llega a reducir el coeficiente de acoplamiento 𝑆21 hasta en 14.4 dB entre la antena 1 y 2.
Ilustración 13 - En la tabla se ve como ha disminuido el acoplamiento mutuo entre las antenas gracias a las estructuras DGS que se
pueden ver en b) [9]
a) b)
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Proyecto Fin de Grado 22
1.4 Dumbbell-shaped DGS
Las estructuras dumbbell-shaped DGS, como su nombre indica, tienen la característica de tener la
forma de una pesa, es decir, dos rectángulos, unidos por un rectángulo alargado y más estrecho.
Aunque hay algunas variantes de este resonador, donde se sustituyen los dos rectángulos de los
extremos por círculos, triángulos, o estructuras en forma de “H” entre otros.
Ilustración 14 - Distintas topologías de dumbbell-shaped DGS, a) Dumbbell-shaped b) Circular head dumbbell c) Arrow head
dumbbell d) H-shaped.
Estos resonadores han sido tradicionalmente usados principalmente para la síntesis de filtros de
radiofrecuencia. El tamaño de cada dimensión es fundamental para sintonizar la frecuencia en la que
resuena la estructura. En el caso del dumbbell-shaped DGS, se observa cómo aumenta la frecuencia
de resonancia al disminuir el tamaño de L1_bottom y W1_bottom, y al aumentar el tamaño de
L2_bottom y W2_bottom y viceversa.
Ilustración 15 - Esquema de las dimensiones de un resonador dumbbell-shaped DGS [10]
El comportamiento de este resonador puede modelarse como un tanque RLC, es decir, su circuito
equivalente es el que se puede observar en la ilustración 16.
a) b) c) d)
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Proyecto Fin de Grado 23
Ilustración 16 - Circuito equivalente de un resonador dumbbell-shaped DGS
Normalmente para analizar estos sensores, se utiliza el modelo equivalente para el estudio del
comportamiento de la frecuencia de resonancia. En el caso de este proyecto, se añade complejidad, ya
que, al situar líquidos sobre el resonador, hay modificaciones adicionales de las inductancias y
capacidades, que dependen de las propiedades dieléctricas del líquido bajo test. Ése es el
comportamiento que se va a explotar en el diseño del sensor. El análisis detallado del circuito
equivalente se encuentra fuera de los objetivos de este proyecto, por lo tanto, solo va a analizarse
mediante la simulación electromagnética de la estructura.
1.5 ¿Qué es la permitividad?
La permitividad, es una magnitud física que indica cómo un campo eléctrico afecta o es afectado por
un medio. La permitividad está relacionada con la tendencia que tiene un material a polarizarse por el
efecto de un campo eléctrico.
Generalmente cualquier material está formado por moléculas o estructuras cristalinas. En ausencia de
campo eléctrico, las moléculas se alinean de forma aleatoria. Cuando el material es polarizado por un
campo eléctrico, se recolocan siguiendo la dirección que sigue el campo y, debido a la orientación de
todos los dipolos formados, se forma otro campo eléctrico que es opuesto al polarizador. El resultado
de este efecto es que el campo original se ve reducido. La permitividad es una forma de medir la
cantidad de moléculas se oponen al campo eléctrico externo.
Aunque la permitividad dieléctrica habitualmente es también llamada “constante dieléctrica”, no es
constante, ya que ésta puede cambiar con la frecuencia, la temperatura y la humedad entre otros
parámetros, incluso en algunos casos, cuando el material es un medio no lineal, puede depender de la
magnitud del campo eléctrico.
� 0 , � �
�
� 0 , � �
�
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Proyecto Fin de Grado 24
La permitividad se mide en 𝑓𝑎𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜, se trata de una propiedad física con un orden de
magnitud muy bajo. Por simplicidad se suele utilizar la permitividad relativa 𝜀𝑟, que es el cociente
entre la permitividad del medio entre la del vacío.
𝜀𝑟 =𝜀
𝜀0
𝜀0 = 8.854 ∙ 10−12 [𝐹/𝑚]
Un ejemplo para entender la permitividad, son los condensadores. Un condensador está formado por
dos placas conductoras separadas por un dieléctrico. Cuando el dieléctrico tiene alta permitividad, hace
que una gran cantidad de cargas eléctricas se almacenen con un menor campo eléctrico, es decir, tendrá
mayor capacidad.
A pesar de que normalmente en los dieléctricos se suele suponer que no hay pérdidas, es decir que la
onda no transfiere energía al medio, la permitividad dieléctrica es una magnitud compleja, por lo tanto,
tiene parte real 𝜀´ e imaginaria 𝜀´´
𝜀 = 𝜀´ − 𝑗𝜀´´
Hay una magnitud que sirve para medir las pérdidas debidas al dieléctrico, la tangente de pérdidas
tan(𝛿). La tangente de pérdidas se puede calcular como el cociente entre la componente imaginaria y
la real.
tan(𝛿) =𝜀´´
𝜀´
Cuanto menor sea la tangente de pérdidas, menor será la atenuación que sufra la onda cuando se
propaga en dicho medio, por eso un buen dieléctrico es aquel que tiene una tangente de pérdidas muy
inferior a 1.
tan(𝛿) ≪ 1
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Proyecto Fin de Grado 25
1.6 Simulación en HFSS
Durante el transcurso del proyecto se ha empleado el software de diseño de ANSYS HFSS (High
Frecuency Structure Simulator), Se trata de un software de alto rendimiento para el diseño, modelación
y simulación de estructuras en 3D creado para altas frecuencias. Permite el estudio electromagnético
de modelos a través del método de elementos finitos y mallas adaptativas, facilitando además la
visualización del comportamiento de las ondas electromagnéticas por medio de herramientas
interactivas.
Este software jugara un papel fundamental para el diseño del sensor. Resulta una herramienta muy útil
en el diseño de sistemas complejos que serian imposibles de resolver mediante métodos algebraicos.
Además de ser especialmente útil en la simulación de estructuras 3D que combinan diferentes
materiales de dimensiones finitas.
Dentro de las peculiaridades propias de HFSS, cabe destacar el empleo conjunto del método integral
y el método de elementos finitos, que nos permitirán un mallado adaptativo a nuestro problema
dependiendo de su estructura, no teniendo que dedicarnos a buscar el mejor mallado previamente a las
simulaciones.
Este mallado funciona haciendo simulaciones iterativas [14] y aumentando el mallado en las zonas del
diseño donde se calcula un mayor error. Es decir, no utiliza un mallado uniforme por toda la estructura,
evitando así un mallado demasiado fino que aumentaría demasiado el tiempo de simulación.
Conociendo ya las peculiaridades mas importantes del análisis efectuado por ANSYS HFSS, podemos
hacer una breve introducción a la interfaz de HFSS.
La configuración de las distintas ventanas del simulador se puede modificar según las necesidades de
visualización de la información, pero, inicialmente, la interfaz se divide en 4 ventanas.
En la ventana superior izquierda se muestran todos los componentes del proyecto que se está llevando
a cabo, tanto el modelo 3D como otros detalles. Estos pueden ser la frecuencia o barrido de frecuencias
de la simulación, los resultados, que pueden ser mostrados en tablas o graficas polares, rectangulares
y carta de Smith, entre otras, o la configuración de puertos y excitaciones.
En la ventana superior derecha se puede trabajar en el modelado 3D del proyecto. Se puede modelar
mediante el uso de las herramientas que se encuentran en la barra de herramientas superior. Con ella
se pueden utilizar todas las figuras geométricas básicas. En nuestro caso, en 3D se utilizarán
principalmente los prismas rectangulares y los cilindros, y de 2D las laminas, que serán utilizadas para
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Proyecto Fin de Grado 26
modelar los puertos del proyecto. En este proyecto se ha decidido utilizar puertos del tipo “Wave Port”,
que se han elegido por encima del tipo “Lumped Port”, ya que estos están pensados para ser utilizados
dentro de otros materiales, y es necesario introducir la impedancia del puerto, sin embargo, los del tipo
“Wave Port” ajustan su impedancia automáticamente a la impedancia de la línea a la que estén
conectados.
Ilustración 17 - Visión general de la interfaz del software ANSYS HFSS
Por último, en las ventanas inferiores, podemos ver información sobre la simulación que esté corriendo
en el momento. En la ventana progress, una barra de progreso donde se indica cuál es el estado de la
simulación. Por último, en la ventana message manager se muestra una consola donde se pueden
visualizar las respuestas de la simulación con sus mensajes informativos y, en el caso de haberlos, los
errores en la simulación.
Sabiendo ya cómo funciona el análisis del HFSS y su interfaz, se puede comenzar a diseñar y modelar
el sensor. Para ello, podemos diferenciar dos partes a modelar, la estructura relacionada con
microondas, y la parte mecánica. La parte de radio consiste en un substrato FR4 con dos líneas de
transmisión totalmente simétricas que serán adaptadas a 50 ohmios en la frecuencia de trabajo del
resonador y un plano de masa donde serán grabados sendos resonadores Dumbbell-Shaped DGS
alineados con las líneas y de forma transversal a ellas.
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Proyecto Fin de Grado 27
Para el modelado de la placa se tendrá en cuenta que se va a aplicar una capa de poliéster transparente
cuyo espesor es de unos 50𝜇𝑚 y con 𝜀 = 3.5, esta capa será aplicada en la cara de la placa donde ira
grabado el resonador y servirá para impermeabilizar el substrato y evitar así que éste absorba el fluido
que se vaya a medir.
Ilustración 18 - a) Vista superior del sensor b) Vista general de la placa c) Vista inferior de la placa d) Detalle del perfil de la placa,
donde se pueden ver las capas de cobre superior e inferior y la perforación donde será acoplado el tornillo que sujetará el canal.
Por otro lado, para tener mas precisión en la simulación, se modelará la parte mecánica del sensor, que
consiste en dos canales donde serán introducidos el líquido de referencia(REF) y el líquido a
medir(LUT), cada uno de los canales está fabricado con polímero polidimetilsiloxano (PDMS),
además de una estructura formada por polieteretercetona(PEEK) y dos tornillos de acero inoxidable,
que servirá para que esté estable y evitar que la posición del canal se desajuste.
a) b)
c) d)
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Proyecto Fin de Grado 28
Ilustración 19 - Vista inferior del canal de fluídica, la caja rosa es donde se almacenará el líquido, además también se puede ver el
PDMS que tendrá la función de contener el líquido y el PEEK, que servirá junto a los tornillos para asegurar el PDMS.
1.7 Proceso de fabricación
Para la fabricación del sensor se tienen que tener algunas consideraciones en cuenta, como ya se ha
comentado en el apartado de limitaciones, en el laboratorio donde posteriormente se va a realizar la
medición del prototipo, no se cuenta con un analizador de redes de 4 puertos para poder los resultados
en vivo, por lo tanto, finalmente será fabricado un sensor con un solo canal y 2 puertos.
El proceso de fabricación en principio será muy similar al de cualquier placa de circuito impreso
mediante ataque químico. Se imprime un acetato con el diseño para posteriormente ser insolado, para
ello se ha utilizado la insoladora AZ-220, su sistema de vacío servirá para que no se descuadren los
acetatos donde está impreso el diseño. A continuación, se baña la placa en el líquido revelador, tras
unos segundos se procede al atacado químico, éste consiste en retirar el cobre de la placa que no se
desea, este proceso es el que limita el tamaño mínimo de ranura DGS. En otros procesos de fabricación
como puede ser el fresado, se puede conseguir una mayor precisión, aunque este proceso es
considerablemente mas caro que el ataque químico. Finalmente, se utiliza acetona para retirar la laca
que no ha sido revelada anteriormente.
El siguiente paso en la fabricación, es aplicar la capa de plástico que servirá para que los líquidos no
se filtren en el substrato y no cambien sus propiedades dieléctricas. Para ello se utilizará la laminadora
de documentos que se puede ver en la ilustración 20 a). Por último, se finaliza la fabricación soldando
los conectores SMA macho y montando los canales de fluídica proporcionados por el grupo CIMITEC
de la UAB.
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Proyecto Fin de Grado 29
Ilustración 20 – a) Insoladora AZ-220 b) Laminadora de 700W c) Vista superior de la placa preparada para el montaje, se pueden ver
todos los elementos, la placa ya plastificada, PDMS, PEEK y los tornillos de sujeción. d) Vista inferior de la placa.
a) b)
c) d)
PDMS
PEEK
Tornillos
resonador
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Proyecto Fin de Grado 30
Resultados
1.8 Análisis del efecto del substrato sobre la sensibilidad del sensor
Se ha realizado un estudio para analizar cuál es el efecto del substrato sobre el cual se fabrica el sensor.
Las especificaciones de los substratos que serán simulados en el software HFSS aparecen en la tabla
1.
Tabla 1 - Especificaciones y dimensiones de los substratos simulados en HFSS
Substrato Espesor(mm) 𝜺´ 𝐭𝐚𝐧 (𝜹) Espesor del cobre
(𝝁m) AD1000 1,270 10,0 0,0030 17
FR4 1,600 5,4 0,0300 35
RO4003C 1,524 3,5 0,0023 35
Duroid 5880 0,254 2,2 0,0009 17
Para tener una referencia en la simulación en HFSS del sensor en los distintos substratos, se ha
sintonizado el resonador sobre cada substrato para que su frecuencia de resonancia se encuentre en 1.5
GHz al estar cargado con agua desionizada. Para ello se han modificado algunas de las dimensiones
de la estructura. Las dimensiones definitivas para que la estructura esté sintonizada a 1,5 GHz se
pueden ver en la tabla 2.
Tabla 2 - Dimensiones del resonador para obtener una frecuencia de resonancia de 1.5 GHz al medir agua desionizada.
Substrato W50(mm) L1_bottom L2_bottom W1_bottom W2_bottom
AD1000 1.215 3.15 10.5 3.15 0.1
FR4 0.878 4.00 10.5 4.00 0.3
RO4003C 3.440 4.10 10.5 4.10 0.2
Duroid 5880 9.780 4.20 10.5 4.20 0.2
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Proyecto Fin de Grado 31
Ilustración 21 – Parámetro 𝑆21 de los líquidos simulados en substrato AD1000
Analizando el comportamiento del parámetro S21, se observa una respuesta similar en los distintos
substratos. Cuanto menor es la permitividad del líquido bajo estudio, mayor es la frecuencia de
resonancia. En la ilustración 22 se muestra una comparación de la frecuencia de resonancia según la
permitividad del líquido en los distintos substratos, siendo ∆f la diferencia de la frecuencia de
resonancia del líquido bajo estudio y la del líquido de referencia. La pendiente de la curva indica la
sensibilidad del sensor en cada substrato. El substrato que mejor resultado ofrece en términos de
sensibilidad es el duroid5880, seguido del RO4003C, FR4 y AD1000. Concluimos, por tanto, que la
sensibilidad del sensor es mayor cuanto mayor es la permitividad del substrato donde se fabrique.
Ilustración 22 - Frecuencia de resonancia del parámetro 𝑆21 de los líquidos simulados sobre los distintos substratos
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 1,5 2 2,5 3
s21
(d
B)
Frecuencia (Ghz)
S21 AD1000
diwatersimulado
ricinosimulado
aceticosimulado
etanolsimulado
parafinasimulado
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 20 40 60 80
∆f
(GH
z)
Permitividad dieléctrica líquido medido
Frecuencia s21_máximo
fr4 4003c 5880 ad1000
Frecuencia del mínimo de S21 sobre distintos substratos
Frecuencia (GHz)
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Proyecto Fin de Grado 32
Como se puede ver en las figuras 23 y 24, también se ha realizado un estudio del comportamiento del
parámetro S21DC al situar los líquidos en el sensor implementado sobre distintos substratos. El parámetro
S21DC tiene un comportamiento similar al de las disoluciones. Se observa cómo hay dos máximos
relativos. Esto se debe a que la frecuencia de resonancia de los líquidos estudiados y la del agua son
muy distintas. El primero de ellos es común en todos los líquidos, por lo tanto no se ven cambios de
magnitud del S21DC del primer máximo. Sin embargo, en el segundo máximo relativo se aprecia como
hay un cambio en frecuencia del máximo. La frecuencia de este segundo máximo relativo está
directamente relacionada con la frecuencia de resonancia que se observa en el parámetro S21 del
líquido bajo estudio. Por lo tanto, se observará una frecuencia del segundo máximo relativo mayor
cuanto menor es la permitividad del líquido. Este comportamiento se puede apreciar observando las
ilustraciones 21 y 23, ya que coinciden las frecuencias de características de los líquidos.
Ilustración 23 – Simulación del parámetro 𝑆21𝐷𝐶 del sensor sobre substrato AD1000 siendo el líquido de referencia agua desionizada
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Mag
(S2
1D
C)
Frecuencia (Ghz)
S21DC AD1000
ricino simulado
acetico simulado
etanol simulado
parafina simulado
Frecuencia (GHz)
-
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Proyecto Fin de Grado 33
Ilustración 24 – Valor del segundo máximo relativo del parámetro 𝑆21
𝐷𝐶 de los líquidos simulados sobre los distintos substratos
En la ilustración 24 se pueden observar las sensibilidades del sensor cuando éste se fabrica en los
distintos substratos, en el eje de abscisas se representa la permeabilidad relativa del líquido simulado
y en el de ordenadas la diferencia de frecuencia entre el primer máximo relativo de S21DC y el segundo.
∆𝑓 = 𝑓𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 − 𝑓𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜
De nuevo, se ha estudiado la sensibilidad del sensor mediante su parámetro S21DC , obteniendo
resultados similares a los del S21. Como se puede ver en la ilustración 24, también se puede detectar
la diferencia entre los líquidos con este parámetro. Se observa cómo la sensibilidad del parámetro está
relacionada con la permitividad del substrato donde se fabrique el sensor, es decir, de nuevo, se obtiene
la mayor sensibilidad en el substrato duroid5880 (24,4 MHz por unidad de ) y la menor sensibilidad
en el substrato AD1000 (9,7 MHz por unidad de )
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Proyecto Fin de Grado 34
1.9 Detección de variaciones en las propiedades dieléctricas
Para la medida del prototipo, se utilizará un analizador vectorial de redes vectoriales de 2 puertos,
concretamente el modelo ZVRE de Rohde & Schwarz. Éste nos servirá para conocer los parámetros S
de nuestro sensor.
Para obtener valores precisos, hay que tener en cuenta algunas consideraciones, ya que finalmente se
ha utilizado un analizador de 2 puertos, y se va a utilizar la medida de agua desionizada como
referencia. Las medidas de las disoluciones y de los distintos líquidos hay que realizarlas en el mínimo
tiempo posible, para así evitar cambios de temperatura entre la medida del líquido bajo test y el líquido
de referencia, y que en el analizador no haya cambios en la calibración.
Para obtener medidas que no estén afectadas por el contacto con otros elementos, se ha utilizado un
trozo de poliestireno expandido como base para situar el dispositivo, ya que éste tiene unas propiedades
muy similares a las propiedades del aire.
Ilustración 25 - a) Analizador vectorial de redes utilizado. b) Sensor completamente montado y preparado para realizar la medición.
La configuración que se utilizará en el analizador es un barrido de 1600 puntos desde 100Mhz hasta
4Ghz. Para poder extraer las trazas medidas en el analizador se utilizará una de las funciones del
analizador, que permite la extracción de los parámetros S en un archivo ASCII con el formato magnitud
y fase.
Los líquidos que se han medido son los que se pueden observar en la tabla 1 además de disoluciones
en volumen de etanol en agua desionizada al 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 y 90%.
a) b)
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Proyecto Fin de Grado 35
Tabla 3 – Propiedades de los líquidos medidos
Líquido 𝜺´ 𝜺´´ 𝐭𝐚𝐧 (𝜹)
Agua desionizada 79,50 6,00 0,076
Etanol 27,86 9,79 0,351
Acido acético 6,20 1,08 0,174
Aceite de ricino 3,37 0,39 0,115
Parafina 2,45 0,04 0,016
Como se puede ver en la ilustración 26, la frecuencia de resonancia del parámetro S21 aumenta de
forma inversamente proporcional a la permitividad del líquido analizado. La permitividad del agua es
mucho mayor que la del etanol, y aunque no sepamos exactamente cuál es la de cada una de las
disoluciones, se puede observar como ésta va disminuyendo cuanto mayor es el porcentaje de etanol
de la disolución.
Ilustración 26 - Coeficiente de transmisión S21 obtenido para las distintas disoluciones de % en volumen de etanol en agua
desionizada y para aire
Parámetro S21 en función a la concentración de la disolución
Frecuencia (GHz)
Mag
nit
ud
(S21)
-
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Proyecto Fin de Grado 36
Como se puede observar en la ilustración 27, diferenciar los distintos porcentajes de etanol es fácil si
se trata de alto contenido de etanol. Sin embargo, para la diferenciación entre disoluciones con menor
contenido de etanol, hay pocas diferencias en la frecuencia de resonancia. Por este motivo, también se
ha estudiado el comportamiento del parámetro |𝑆21𝐷𝐶|, que servirá para detectar pequeñas diferencias
entre estas curvas, es decir, pequeños cambios en la permitividad del líquido.
|𝑆21𝐷𝐶| =
1
2|𝑆21𝑅𝐸𝐹 − 𝑆21𝐿𝑈𝑇|
Ilustración 27 - Incremento de la frecuencia de resonancia del parámetro 𝑆21 en función del porcentaje de etanol en la disolución
En la ilustración 27 se muestra como aumenta la frecuencia de resonancia cuando aumenta la
concentración de etanol. En el eje de abscisas se indica la concentración, en el de ordenadas la
diferencia (∆𝑓) entre la frecuencia de resonancia del agua desionizada y la del líquido bajo estudio.
∆𝑓 = 𝑓𝐷𝐼 − 𝑓𝐿𝑈𝑇
Como ya se ha apuntado, con el parámetro |𝑆21𝐷𝐶| se pueden apreciar las pequeñas diferencias entre
disoluciones con poca diferencia de permitividad. Fijándonos en el comportamiento del parámetro
|𝑆21𝐷𝐶| en la ilustración 28, se pueden apreciar dos zonas claramente diferenciadas, en el primer máximo
relativo, que se encuentra entorno a 1,6 GHz, se pueden apreciar con mayor resolución los cambios
cuando hay un volumen bajo de etanol.
Concentración de etanol (%)
∆𝑓
(GH
z)
-
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Proyecto Fin de Grado 37
Ilustración 28 – Parámetro |𝑆21
𝐷𝐶| de las distintas disoluciones tomando como referencia el agua desionizada
Ilustración 29 - Detalle del primer máximo relativo del parámetro |𝑆21
𝐷𝐶|
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Mag
(S2
1 D
C )
frec(Ghz)
S21DC
di5
di10
di15
di20
di30
di40
di50
di60
di70
di80
di90
di100
di0
Frecuencia (GHz)
| 𝑆
21𝐷𝐶|
Frecuencia (GHz)
| 𝑆
21𝐷𝐶|
-
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Proyecto Fin de Grado 38
Ilustración 30 - Nivel del primer máximo relativo del parámetro |𝑆21
𝐷𝐶| en función del porcentaje de etanol en la disolución
Uno de los parámetros fundamentales de un sensor es la sensibilidad, que es la variación de la salida
del sensor producida por una variación en la entrada, y equivale a la pendiente de la curva
correspondiente. Para estimar la sensibilidad del sensor, como se puede ver en la ilustración 30, se
diferencian claramente dos sensibilidades, una en la zona desde 0% hasta 15% donde vemos una mayor
sensibilidad del parámetro |𝑆21𝐷𝐶| y una segunda zona, para concentraciones de etanol mayores al 15%
donde la pendiente es menor y, por tanto, la sensibilidad es menor.
Analizando las distintas curvas de calibración podemos sacar algunas conclusiones. Como se puede
ver en ilustración 30, si se observa el primer máximo relativo del parámetro |S21DC|, encontramos una
sensibilidad S = 0,0092 %vol -1 para concentraciones de etanol menores al 15% y una sensibilidad
mucho menor en concentraciones mayores, S = 0,0015 %vol -1. Para la detección de disoluciones con
mayor concentración de etanol es mas conveniente el uso del segundo máximo relativo del |𝑆21𝐷𝐶|, ya
que, como se puede ver en la ilustración 32, obtenemos una sensibilidad S = 0,0026 %vol -1.
Concentración de etanol (%)
M
áxim
o d
e | 𝑆
21𝐷𝐶|
-
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Proyecto Fin de Grado 39
Ilustración 31 - Detalle del segundo máximo relativo del parámetro |𝑆21
𝐷𝐶|
Ilustración 32 - Nivel del segundo máximo relativo del parámetro |𝑆21
𝐷𝐶| en función de la concentración de etanol en la disolución
Además de estas disoluciones, también se ha realizado un estudio con los líquidos de la tabla 1. Los
valores de permitividad utilizados en la simulación han sido obtenidos de distintas fuentes [11] y [12],
encontrar diversos valores para un material concreto es algo frecuente, ya que como se ha indicado en
el capítulo anterior, la permitividad del medio depende mucho de la frecuencia a la que se mida,
además de otros factores como puede ser la temperatura, esto hace que no tengamos toda la
certidumbre deseada acerca de los valores reales de las constantes dieléctricas de los materiales
caracterizados, aunque sí podamos tener unos valores aproximados.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3
Mag
(S2
1 D
C )
frec(Ghz)
Segundo máximo relativo S21DC
di0
di5
di10
di15
di20
di30
di40
di50
di60
di70
di80
di90
di100
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0 20 40 60 80 100
Máx
imo
de
S2
1D
C
Concentración de etanol(%)
Máximo relativo 2
Frecuencia (GHz)
|S
21
DC|
Concentración de etanol (%)
Máx
imo d
e |S
21
DC|
-
ETS de Sistemas de Telecomunicación Campus Sur UPM
Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 40
Ilustración 33 - Simulación del parámetro 𝑆21 del sensor en substrato FR4
Se observa el mismo comportamiento que en las disoluciones de etanol, la frecuencia de resonancia
del parámetro S21 aumenta cuanto menor es la permitividad dieléctrica, siendo así posible la detección
de todos los líquidos incluso entre la parafina (𝜀 = 2,45) y el aceite de ricino(𝜀 = 3,37), a pesar de
que éstos tienen una permitividad dieléctrica muy similar
Sin embargo, como se puede ver en la ilustración 34, en las medidas se han obtenido resultados
ligeramente distintos a la simulación en HFSS, se puede observar que en las medidas se ha obtenido
una respuesta donde todas las curvas tienen su frecuencia de resonancia a una frecuencia superior a la
obtenida en la simulación, esto puede deberse a errores en la estimación de la permitividad del líquido
y a defectos de fabricación. Sin embargo, se puede ver como la parafina tiene un comportamiento
distinto al del resto de materiales simulados, ya que su frecuencia de resonancia obtenida en la
simulación es mayor a la obtenida en la medida, lo que nos lleva a pensar que el valor de permitividad
empleado en la simulación no es el correcto para las condiciones en las que se han realizado las
medidas, es decir, a 3 GHz y con una temperatura ambiente medida de unos 25º. No obstante, se
observa que, en general el desplazamiento en frecuencia es similar en todos los canales, y puede ser
atribuidos a tolerancias de fabricación.
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Mag
(S2
1 D
C )
(D
B)
Frecuencia(Ghz)
s21 fr4
diwater simulado
ricino simulado
acetico simulado
etanol simulado
parafina simulado
Frecuencia (GHz)
Mag
nit
ud
(S21)
-
ETS de Sistemas de Telecomunicación Campus Sur UPM
Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 41
Ilustración 34 - Comparación de la respuesta del parámetro 𝑆21 entre las medidas y la simulación en substrato FR4
Ante la problemática de no saber con exactitud cuáles son las propiedades dieléctricas de los líquidos
utilizados en el caso anterior, se plantea el uso de substratos comerciales para caracterizar la
sensibilidad del sensor en base a su permitividad dieléctrica. A pesar de que el sensor no está
inicialmente diseñado para la medida de la permitividad en materiales sólidos, se puede utilizar
también para ello si se desmonta el canal de fluídica. La ventaja que nos aporta el estudio de estas
muestras, es que los substratos comerciales están mucho mejor caracterizados dieléctricamente por los
fabricantes, teniendo así referencias más fiables.
Tabla 4 - Especificaciones de los substratos sobre los que se han medido como muestra en el sensor
Substrato 𝜺´ 𝐭𝐚𝐧 (𝜹) espesor
RO4003C 3,55 0,0023 1,524
FR4 5,40 0,0200 1,600
RO3010 10,20 0,0027 1,524
Además, como se puede ver en la ilustración 35, de cada substrato se han medido 4 muestras con
distintas densidades de perforaciones. Cuanto mayor es la densidad de perforaciones, menor será la
permitividad efectiva del conjunto, por lo tanto, se espera que la frecuencia de resonancia de la
estructura aumente cuanto mayor sea la densidad de perforaciones.
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Mag
(S2
1 D
C )
(D
B)
Frecuencia(Ghz)
s21 liquidos medidos vs simulados
diwater medido
diwater simulado
etanol medido
etanol simulado
acetico medido
acetico simulado
parafina medido
parafina simulado
ricino medido
ricino simulado
Frecuencia (GHz)
Mag
nit
ud
(S
2 )
-
ETS de Sistemas de Telecomunicación Campus Sur UPM
Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 42
Ilustración 35 - Muestras de los substratos con distinta densidad de perforaciones medidas sobre el sensor. De arriba hacia abajo,
RO4003C, FR4 y RO3010
Cuando se comparan las respuestas de los distintos substratos sin perforar, como se puede ver en la
ilustración 36, se obtienen diferencias en la frecuencia de resonancia, es decir, el sensor también es
capaz de detectar cambios de permitividad en muestras solidas.
Ilustración 36 - Comparación entre muestras sin perforaciones de RO3010, FR4 y RO4003C.
Frecuencia (GHz)
Mag
nit
ud
(S21)
-
ETS de Sistemas de Telecomunicación Campus Sur UPM
Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 43
Ilustración 37 - Incremento de frecuencia de la frecuencia de resonancia respecto a la permitividad de la muestra, tomando como
referencia la frecuencia de resonancia con aire
En la ilustración 37 se representa la sensibilidad del sensor. Se ha ajustado empleando los datos de las
tres muestras de substratos comerciales sin perforar. En la ilustración 37, ∆f es la diferencia entre la
frecuencia de resonancia del aire y la de la muestra bajo estudio.
∆𝑓 = 0,098𝜀 + 0,1794
Ilustración 38 - Parámetro 𝑆21 medido de una muestra de RO3010 con distintas densidades de perforaciones, RO3010_1 sin
perforaciones, RO3010_2 densidad baja de perforaciones, RO3010_3 con densidad media de perforaciones, RO3010_4 densidad alta
de perforaciones.
Los resultados obtenidos al medir las muestras de RO3010 confirman la hipótesis. Como se pude ver
en la ilustración 38, se obtiene una pequeña variación de la respuesta en frecuencia para las distintas
densidades de perforación. Esto se debe a que la permitividad efectiva de la muestra disminuye cuanto
mayor es la densidad de perforaciones realizadas, ya que el aire tiene una menor permitividad. Sin
embargo, al medir las muestras de FR4 y 4003c, aunque se obtienen respuestas ligeramente distintas,
es muy complicada la distinción entre muestras.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0
Mag
(S2
1)
Frecuencia(Ghz)
RO3010
RO3010_1
RO3010_2
RO3010_3
RO3010_4
Frecuencia (GHz)
Mag
nit
ud
(S21)
-
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Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 44
Ilustración 39 - Parámetro 𝑆21 de las muestras con distintas densidades de perforaciones
Se ha realizado el estudio del parámetro S21DC para las muestras de substratos perforados, para
comprobar si este parámetro es capaz de detectar los pequeños cambios de permitividad. Como se
puede observar en la ilustración 40, el sensor no tiene suficiente sensibilidad como para percibir los
defectos realizados en los substratos FR4 y RO4003C. Sin embargo, en el caso del substrato RO3010
sí es capaz de detectar los defectos, claramente hay un cambio de magnitud en el máximo de S21DC. Es
capaz de diferenciar la muestra con baja densidad de perforaciones, aunque no es así con las dos
muestras con mayor densidad de defectos. Esto abre la posibilidad del estudio de cuál es la mínima
densidad de defectos que puede llegar a detectar el sensor, con el objetivo de determinar su resolución.
Ilustración 40 – Parámetro 𝑆21
𝐷𝐶 de los substratos perforados tomando como referencia la muestra de substrato sin perforar
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5
Mag
(S2
1)
Frecuencia(Ghz)
RO4003c
RO4003_1
RO4003_2
RO4003_3
RO4003_4
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3
Mag
(S2
1)
Frecuencia(Ghz)
fr4
fr4_1
fr4_2
fr4_3
fr4_4
0
0,05
0,1
0,15
0,2
- 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Mag
(S2
1 D
C)
frec(GHz)
RO3010
RO3010_2
RO3010_3
RO3010_4
0
0,05
0,1
0,15
0,2
- 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Mag
(S2
1 D
C)
frec(GHz)
4003C
RO4003_2
RO4003_3
RO4003_4
0
0,05
0,1
0,15
0,2
- 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Mag
(S2
1 D
C)
frec(GHz)
FR4
FR4_2
FR4_3
FR4_4
Frecuencia (GHz)
Mag
nit
ud
(S21)
Frecuencia (GHz)
Mag
nit
ud
(S21)
|S21
DC|
Frecuencia (GHz)
|S21
DC|
Frecuencia (GHz)
|S21
DC|
Frecuencia (GHz)
-
ETS de Sistemas de Telecomunicación Campus Sur UPM
Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 45
Planos
En las ilustraciones 41, 42 y 43 se pueden observar distintas vistas del diseño realizado en HFSS.
Como ya se ha indicado, el sensor es diferencial, es decir, tiene dos canales totalmente simétricos.
Cada canal esta formado por un línea de transmisión adaptada a 50 Ohmios para 1,5 GHz, el resonador
dumbbell-shaped DGS en el plano de masa, y el canal de fluídica, que a su vez está compuesto por una
pieza de polidimetilsiloxano, otra de de polieteretercetona, y los tornillos. El polidimetilsiloxano es un
material flexible y servirá como contención para el líquido analizado, la pieza de polieteretercetona
sin embargo, es mas rígida, y servirá como soporte junto a los tornillos para evitar que la pieza de
polidimetilsiloxano se mueva.
Ilustración 41 - Vista general del sensor
En la ilustración 41 se puede observar una vista inferior del sensor, en la parte superior de la vista, se
pueden ver las dos líneas de transmisión. Además, se puede ver dónde van situados los canales de
fluídica donde serán confinados los líquidos estudiados.
Puertos
Canales de fluídica
Líneas de transmisión
-
ETS de Sistemas de Telecomunicación Campus Sur UPM
Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 46
Ilustración 42 - Vista en detalle del canal de fluídica, la caja rosa es el lugar donde se sitúa el líquido.
Ilustración 43 – Vista detallada de las principales dimensiones del resonador.
Canal de fluídica
PDMS
PEEK tornillos
L1_bottom
W50
Ch
ann
el_r
ef=
4.6
mm
W1
_bo
tto
m
W2_bottom
L2_bottom
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Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 47
Presupuesto
Elemento unidades Precio unidad total
Laminadora de documentos 1 113,76 € 113,76 €
Micro pipeta Acura manual 825 scorex 1 186 € 186 €
Puntas uni 100-100-1000μl RackPP
Kartell 1 41,80 € 41,80 €
Vaso graduado 250ml 1 21,70 € 21,70 €
Guantes de nitrilo 1 7,40 € 7,40 €
Tubo pttf 0,80 mm ⌀ int. 1,60 ⌀ ext. 1 2,70 € 2,70 €
Frasco boca ancha 50 ml 1 24 € 24 €
Ordenador 1 1105,80 € 1105,80 €
Licencia ANSYS HFSS 1 3550 € 3550 €
Alcohol etílico 99,5 % 1 L 16,10 €/L 16,10 €
Acido acético 1 L 1 L 3,85 €/ L 3,85 €
Parafina de 44 a 48º 1 L 20 €/L 20 €
Aceite de ricino 1 L 1 L 7,75 €/L 7,75 €
Agua desionizada 1 L 1,75 €/L 1,75 €
Conectores SMA 2 2,99 € 3,98 €
Mano de obra 330 horas 16,80 €/hora 5544 €
Subtotal 10.651 €
IVA (21%) 2.237 €
Total
12.887 €
-
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Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 48
Conclusiones
En este proyecto se investiga el uso de la estructura dumbbell-shaped defected ground structure como
sensor para detectar cambios en la permitividad dieléctrica del material que se sitúe sobre el resonador.
La principal aplicación del diseño es su uso como sensor fluídico y , debido al canal de fluídica usado
para confinar estos líquidos, el tamaño del resonador se ve limitado, por esta razón, la frecuencia de
resonancia mínima de la estructura al estar cargado con agua desionizada es de aproximadamente 1,5
GHz.
La estructura dumbbell-shaped DGS, como se puede ver en la ilustración 43, se fabrica creando
defectos en el plano de masa, retirando patrones de cobre en forma de “mancuerna”, es decir, con un
defecto largo y estrecho y en sus extremos dos defectos cuadrados. Esta estructura puede ser modelada
como un tanque LC. Los defectos de los extremos aportan el efecto inductivo y el defecto central
aporta el comportamiento capacitivo. Cuanto mayor es la superficie de los defectos de los extremos,
mayor es la inductancia de su circuito equivalente. Por otro lado, cuanto más estrecho es el defecto
central, mayor es el valor de la capacidad equivalente. Es decir, para disminuir la frecuencia de
resonancia hay que aumentar el tamaño de los defectos de los extremos y/o hacer mas estrecho el
defecto central y viceversa.
Se ha simulado con HFSS la fabricación del sensor sobre distintos substratos cuyas características se
pueden ver en la tabla 4, para conocer cómo puede afectar la sensibilidad del sensor cuando se cambia
el substrato sobre el que se fabrica éste. La conclusión que se extrae de esta simulación es que si el
substrato sobre el que se fabrica el sensor tiene baja permitividad, se obtiene una mayor sensibilidad,
siendo del duroid5880 el substrato que mejores prestaciones presenta de los que se muestran en la tabla
4.
Durante el proceso de caracterización del sensor, se han realizado distintos estudios. El primero ha
sido el del comportamiento del parámetro 𝑆21 en la caracterización de disoluciones de etanol en agua
desionizada. En este estudio se observa que este parámetro no es útil en la distinción entre disoluciones
de bajo contenido de etanol debido a que el cambio en frecuencia es demasiado pequeño, pero puede
llegar a ser útil en disoluciones con un alto porcentaje de etanol. Por este motivo se ha estudiado el
𝑆21𝐷𝐶. Con este parámetro obtenemos dos máximos relativos y ambos tienen información de utilidad.
En el primero, se pueden diferenciar con gran resolución las disoluciones con bajo porcentaje de etanol
y en el segundo, se pueden diferenciar con mayor sensibilidad las disoluciones con mayor porcentaje
de etanol, obteniendo una sensibilidad de s = 0,0092 %vol -1 para bajas concentraciones de etanol y de
S = 0,0015 %vol -1 para altas concentraciones de etanol en el primer máximo y de S = 0,0026 %vol-1
en el segundo máximo.
-
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Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 49
Durante el segundo estudio, se ha comparado la simulación y medida del comportamiento del
parámetro 𝑆21, los valores usados para la simulación de los líquidos, se indican en la tabla 1.
Observando la ilustración 26, se ha llegado a la conclusión de que el sensor funciona correctamente,
es capaz de detectar los cambios de permitividad y pueden ser diferenciados claramente entre ellos.
Por último, se caracterizan substratos comerciales con distintos valores de permitividad dieléctrica
como muestras a detectar. Con ellos se ha realizado una estimación de la sensibilidad del sensor, a la
vez que se ha comprobado su validez como sensor no sólo para muestras líquidas, sino también sólidas.
La ventaja de usar estos materiales como muestras bajo estudio es que, al contrario de lo que ocurría
con las muestras de líquidos, sus propiedades dieléctricas son bien conocidas. Los substratos
comerciales están mucho mejor caracterizados, ya que son fundamentales para la realización de
componentes de radiofrecuencia y sus especificaciones son estudiadas por los fabricantes. El sensor
presenta una sensibilidad de S = 0,098 𝐺𝐻𝑧. Además de medir estos substratos, también se han medido
los mismos substratos con defectos en forma de perforaciones, con tres densidades de perforaciones
distintas. Como se puede observar en la ilustración 40, utilizando como salida el 𝑆21𝐷𝐶, el sensor es
capaz de diferenciar entre la muestra de RO3010 con baja densidad de defectos y las otras dos
muestras, pero no presenta suficiente resolución para detectar la diferencia entre media y alta densidad
de defectos. Con los otros substratos no se ha conseguido detectar cambios significativos entre
muestras debido a que la permitividad de estos es bastante menor, y el sensor no tiene la suficiente
sensibilidad como para detectar cambios tan pequeños.
Para finalizar, viendo los resultados y conclusiones, se puede considerar viable la estructura dumbbell-
shaped DGS para la caracterización de la permitividad de líquidos y sólidos.
Algunas de las futuras líneas de investigación pueden ser la fabricación y caracterización del sensor
sobre el substrato duroid5880, ya que, como se ha demostrado en este proyecto, es el substrato sobre
el que mayor sensibilidad se obtiene. Otra línea, seria el estudio de la respuesta que obtendría el sensor
al ser cargado con líquidos utilizados en entornos de producción, como son los aceites industriales y
el estudio de la respuesta para determinar la calidad del agua o en productos como leche o cerveza,
donde es fundamental el control de la fermentación del producto.
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Julio de 2019
Proyecto Fin de Grado 50
Trabajos citados
[1] "Left-Handed Material: New Era of Future Metamaterials for Biomedical Applications",
[disponible on-line: https://www.researchgate.net/figure/The-direction-of-Poynting-vector-
and-direction-of-wave-for-the-RHM-and-LHM-a-RHM-in_fig2_330999254], consultado en
mayo de 2019.
[2] "Los metamateriales y sus aplicaciones en defensa", [disponible on-line:
https://publicaciones.defensa.gob.es/media/downloadable/files/links/m/o/monografia_sopt_9.p
df], co